KR102260195B1 - 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트 및 이를 이용한 접합 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소결접합 페이스트에 관한 것으로서, 평균 입자 크기가 0.5~45㎛인 제1구리 입자, 평균 입자 크기가 50~450nm인 산화구리 입자를 혼합하여 준비된 혼합 입자와, 상기 혼합 입자 100중량부에 대해 10~30중량부의 환원유도제가 혼합된 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트 그리고 이를 이용한 접합 방법을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 가압하에서 특정 온도에서의 가열을 통해 나노급 구리 입자를 환원 생성하여 급속 인시츄(in-situ) 소결 특성을 구현함으로써 접합 공정 시간을 획기적으로 줄여 생산경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트 및 이를 이용한 접합 방법{Sinter-bonding paste composed of Cu and CuO particles, and bonding method thereby}
본 발명은 소결접합 페이스트에 관한 것으로서, 특정 온도에서의 가열을 통해 나노급 구리 입자를 생성하여 급속 소결접합 특성이 구현되는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트, 그리고 이를 이용한 접합 방법에 관한 것이다
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 고온구동 또는 고발열 소자의 실장에 솔더와 같은 전통적인 접합 소재를 사용할 경우, 작동 중 최대 발열온도(약 220℃ 이상)를 견딜 수 있는 조성이어야 하므로 고온 솔더합금 조성을 적용해야 한다.
그러나, 현재까지 Pb가 함유되지 않은 고온 솔더합금 조성은 각 조성마다 치명적인 단점을 가지고 있어 적당한 솔더 조성이 제시되지 않고 있는 상황이며, 실장공정온도 역시 그 융점에 비례하여 증가해야 하기 때문에 실장공정 중에 소자 및 부품에 열 데미지가 가해질 수 있고, 접합 후 접합부에 큰 잔류 응력을 형성하게 된다.
따라서 장, 단기 신뢰성 문제로 인하여 고온 솔더를 사용한 고온구동 또는 고발열 소자의 실장법은 점차 그 인기가 하락하는 추세이다.
현재 대표적인 고온 솔더로 사용되고 있는 Sn-5Pb 조성의 솔더는 그 융점이 약 308℃이나, 최근 파워디바이스의 효율을 향상시키기 위해 Si 기반 반도체가 SiC로 변경됨에 따라 파워디바이스의 사용 온도는 300℃ 수준까지도 증가할 수 있는 환경이 예측되고 있다.
이 경우에는 기존 Sn-5Pb 조성 솔더의 사용이 불가능하며, 아울러 친환경 소재에 대한 사용 법령이 선언될 경우 Pb 기반의 솔더는 더 이상 사용될 수 없는 상황에 놓여지게 된다.
이에 최근 들어 고발열 소자의 실장에는 나노급 또는 마이크론급 Ag 입자를 사용한 소결접합 페이스트 소재의 사용이 활발히 진행되고 있다. Ag 입자로 형성되는 본드라인(bondline)은 우수한 방열특성과 장기 신뢰성을 나타내지만, Ag 입자의 비싼 가격과 20~60분간의 긴 소결시간은 소결접합 소재로의 전환에 큰 걸림돌로 작용하고 있다.
즉, Ag의 낮은 가격 경쟁력뿐만 아니라 긴 접합 소요시간은 파워모듈의 생산성을 심각히 위협하는 문제점이 있다.
한편 본 발명자는 고온구동 또는 고발열 소자의 실장을 위한 다양한 페이스트 소재를 제안한 바 있다. 즉, 대한민국특허청 등록번호 10-1929750호(고온용 접합 페이스트 및 인시츄 미세 은 범프 형성을 이용한 접합 방법), 출원번호 10-2018-0123632호(벼이삭형 구리 입자 그리고 이를 이용한 전도성 페이스트), 출원번호 10-2018-0123578호(벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트) 등이 그것이다.
상기의 기술들은 기존의 솔더 접합 소재의 문제점 및 긴 접합 소요시간에 대한 문제점을 획기적으로 해결한 것으로서, 고온구동 또는 고발열 소자 접합공정 분야에 널리 활용될 것으로 기대되고 있다.
본 발명자는 이러한 연구 결과에 안주하지 않고, 간단한 제조 공정에 의해 보다 높은 가격 경쟁력을 가지면서, 보다 짧은 접합 소요시간을 갖는 접합 소재를 개발하기 위한 연구를 지속적으로 수행하고 있으며, 실제 소결접합 공정이 배취 (batch) 공정이 아닌 자동화 켄베이어 라인에서도 연속적으로 적용될 수 있는 고속 접합소재의 개발이 필요함을 인지하게 되었다.
또한, 나노 크기의 전도성 입자를 갖는 전도성 페이스트의 경우 그 혼합 제조 및 적용이 매우 까다로우므로 마이크로 크기의 전도성 입자 기반으로 소결접합 페이스트를 제조하는 것이 바람직하며, 마이크로 크기의 전도성 입자를 갖는 소결접합 페이스트의 경우, 단시간의 접합시간 내에서 접합강도를 확보할 수 있는 방안에 대한 연구가 더 필요한 실정이다.
본 발명은 특정 온도에서의 가열을 통해 나노급 구리 입자를 인시츄(in-situ)로 생성하여 급속 소결접합 특성이 구현되는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트, 그리고 이를 이용한 접합 방법의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 평균 입자 크기가 0.5~45㎛인 제1구리 입자, 평균 입자 크기가 50~450nm인 산화구리 입자를 혼합하여 준비된 혼합 입자와, 상기 혼합 입자 100중량부에 대해 10~30중량부의 환원유도제가 혼합된 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 혼합 입자는 상기 제1구리 입자 70~97중량부, 상기 산화구리 입자 3~30중량부인 것이 바람직하다.
또한, 상기 환원유도제는, 분자량이 150 이상인 2가 알콜(dihydric alcoho), 3가 알콜(trihydric alcoho) 및 다가 알콜(polyhydric alcohol)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 환원유도제는, 특정 온도에서 상기 산화구리 입자를 환원시켜 나노급 제2구리 입자를 생성시킴으로써 상기 제1구리 입자 간 공극부에 개재시키는 역할을 한다.
또한 상기 환원유도제는, 상기 제1구리 입자의 표면에 코팅되어 목표 온도까지의 가열동안 상기 제1구리 입자의 과도한 산화를 막고, 궁극적으로 상기 제1구리 입자의 표면 산화막을 환원시키는 역할을 수행한다.
또한, 상기 나노급 제2구리 입자의 생성으로 접합부가 인시츄(in-situ)로 소결되어 이루어지며, 상기 접합부는 상기 제1구리 입자와, 상기 제2구리 입자로 이루어진 본드라인으로 구현되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트는, 접합 공정 후 추가 열처리를 통해 상기 제1구리 입자 및 제2구리 입자를 산화시켜 공극부를 최소화시킬 수도 있다.
또한 본 발명은 평균 입자 크기가 0.5~45㎛인 제1구리 입자 70~97중량부와, 평균 입자 크기가 50~450nm인 산화구리 입자 3~30중량부를 혼합하여 제조된 혼합 입자를 준비하는 제1단계와, 상기 혼합 입자 100중량부에 대해 10~30중량부의 환원유도제를 혼합하여 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 제조하는 제2단계와, 상기 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 접합시키고자 하는 기판 표면 금속층 상에 공급하는 제3단계와, 상기 공급된 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트 상부에 접합시키고자 하는 소자부의 후표면 금속층이 닿게 하면서 소자를 정렬하여 놓는 제4단계와, 상기 기판, 상기 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트 그리고 상기 소자부로 이루어진 적층체를 가압하면서 특정 온도로 가열하여, 상기 환원유도제에 의해 상기 산화구리 입자를 환원시켜 나노급 제2구리 입자를 생성하여 상기 제1구리 입자 간 공극부에 개재시켜 상기 제1구리 입자와, 상기 제2구리 입자 간의 인시츄(in-situ) 소결을 유도하며 본드라인을 형성함으로써 소자-기판 간을 접합시키는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 접합 방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.
또한 상기 제5단계 이후에, 추가 열처리 공정을 더 수행하여 상기 제1구리 입자 및 제2구리 입자를 산화시켜 공극부를 최소화시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 접합 방법은, 컨베이어 라인을 사용한 연속 공정에 의해 구현되는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트는 특정 온도에서의 가열을 통해 인시츄(in-situ)로 나노급 구리 입자를 생성하여 급속 소결접합 특성을 보임으로 접합 공정 시간을 획기적으로 줄일 수 있어 생산경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 기존에 보고된 바 없는 방법으로 접합 공정(실장 공정)을 구현하였으며, 융점이 매우 높은 구리계 물질만으로 본드라인을 형성하여, 최고 수준의 내열성 및 열전도도 특성을 보이며, 궁극적으로 매우 신뢰성이 높은 접합부를 제공하게 된다.
또한, 본 발명은 접합을 위한 공정 시간이 매우 짧아 상술한 바와 같이 생산경쟁력을 확보할 수 있으며, 컨베이어형 연속 접합 라인으로 구현 시 궁극의 생산성을 가지는 소결접합 기술의 자동 양산화가 가능하게 된다.
도 1 - 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트의 소결 과정을 나타낸 모식도.
도 2 - 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 소자의 접합 방법을 나타낸 모식도.
도 3 - 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트의 TG-DTA 그래프를 나타낸 도.
도 4 - 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트의 입자 간 소결접합 이미지를 나타낸 도.
도 5 - 본 발명의 일실시예에 따른 마이크론급 제1구리 입자 80중량부와 산화구리 입자 20중량부 혼합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 소결접합한 접합부의 단면 이미지를 나타낸 도.
도 6 - 본 발명의 일실시예에 따른 마이크론급 제1구리 입자 94중량부와 산화구리 입자 6중량부 혼합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 소결접합한 접합부의 단면 이미지를 나타낸 도.
도 7 - 본 발명의 일실시예에 따른 마이크론급 제1구리 입자 97중량부와 산화구리 입자 3중량부 혼합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 소결접합한 접합부의 단면 이미지를 나타낸 도.
도 8 - 본 발명의 일실시예에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 대기 중 300℃ 소결접합 시 접합부의 본딩 특성(전단강도) 및 종래 기술에 따른 소결접합 페이스트를 이용한 접합부의 본딩 특성을 비교한 도.
도 9 - 본 발명의 일실시예에 따른 구리 및 산화구리 80:20 혼합 소결접합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 5분간 접합한 접합부의 단면 이미지(a)와 이에 대한 추가 열처리를 통한 접합부의 단면 이미지(b),(c),(d)를 나타낸 도.
도 10 - 본 발명의 일실시예에 따른 구리 및 산화구리 80:20 혼합 소결접합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 3분간 접합한 접합부 및 이에 대한 추가 열처리를 통한 접합부의 단면 이미지와 접합부의 전단강도 변화를 나타낸 도.
도 11 - 본 발명의 일실시예에 따른 구리 및 산화구리 90:10 혼합 소결접합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 5분간 접합한 접합부 및 이에 대한 추가 열처리를 통한 접합부의 단면 이미지와 접합부의 전단강도 변화를 나타낸 도.
본 발명은 소결접합 페이스트에 관한 것으로서, 소결접합을 위한 가열과정에서 첨가된 산화구리가 환원되면서 나노급 구리입자를 생성하여 접합부가 인시츄(in situ)로 소결됨으로써 급속 소결접합 특성이 구현되는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트, 그리고 이를 이용한 접합 방법에 관한 것이다.
특히, 구리와 산화구리 그리고 환원유도제를 포함하는 소결접합 페이스트를 제공하여, 상기 환원유도제를 통해 구리의 과도한 산화는 억제하면서 상기 산화구리의 환원반응을 유도하여 나노급 구리 입자를 생성함으로써, 인시츄(in situ) 소결에 의해 접합부에서의 밀도를 향상시키고 급속 소결접합이 구현되는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 제공하게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트의 소결 과정을 나타낸 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 소자의 접합 방법을 나타낸 모식도이고, 도 3은 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트의 TG-DTA 그래프를 나타낸 도이고, 도 4는 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트의 입자 간 소결접합 이미지를 나타낸 도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크론급 제1구리 입자 80중량부와 산화구리 입자 20중량부 혼합 페이스트를 사용한 접합부의 단면 이미지를 나타낸 도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크론급 제1구리 입자 94중량부와 산화구리 입자 6중량부 혼합 페이스트를 사용한 접합부의 단면 이미지를 나타낸 도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크론급 제1구리 입자 97중량부와 산화구리 입자 3중량부 혼합 페이스트를 사용한 접합부의 단면 이미지를 나타낸 도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 대기 중 300℃ 소결접합 시 접합부의 본딩 특성(전단강도) 및 종래 기술에 따른 소결접합 페이스트를 이용한 접합부의 본딩 특성을 비교한 도이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 구리 및 산화구리 80:20 혼합 소결접합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 5분간 접합한 접합부의 단면 이미지(a)와 이에 대한 추가 열처리를 통한 접합부의 단면 이미지(b),(c),(d)를 나타낸 도이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 및 산화구리 80:20 혼합 소결접합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 3분간 접합한 접합부 및 이에 대한 추가 열처리를 통한 접합부의 단면 이미지와 접합부의 전단강도 변화를 나타낸 도이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 및 산화구리 90:10 혼합 소결접합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 5분간 접합한 접합부 및 이에 대한 추가 열처리를 통한 접합부의 단면 이미지와 접합부의 전단강도 변화를 나타낸 도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트는 평균 입자 크기가 0.5~45㎛인 제1구리 입자(100)와, 평균 입자 크기가 50~450nm인 산화구리 입자(200)를 혼합하여 준비된 혼합 입자와, 상기 혼합 입자 100중량부에 대해 10~30중량부의 환원유도제(400)가 혼합된 것으로, 서로 크기가 다른 제1구리 입자(100)와 산화구리 입자(200)를 혼합하고, 환원유도제(400)를 적정량 혼합하여 소결접합 페이스트를 제공하는 것이다.
여기에서, 제1구리 입자(100)의 크기는 0.5~45㎛이고, 산화구리 입자(200)의 크기는 50~450nm로, 제1구리 입자(100)들 사이에 산화구리 입자(200)가 위치하게 되어 기본적으로 팩킹 밀도(packing density)를 높여주기 때문에 상대적으로 크기가 큰 제1구리 입자들 사이의 공극부를 줄이게 된다.
상기 혼합 입자는 상기 제1구리 입자(100) 70~97중량부에 대해 상기 산화구리 입자(200)를 3~30중량부로 혼합하여 준비된 상기 혼합 입자 100중량부에 대해 10~30중량부의 환원유도제(400)를 혼합하여 본 발명에 따른 소결접합 페이스트를 제공하게 되며, 본 발명에서의 산화구리 입자로는 산화제2구리가 효과적으로 사용될 수 있다.
이러한 중량부는 제1구리 입자(100)의 내산화 및 표면 환원 유도와, 산화구리 입자의 환원 유도를 가장 효율적으로 하기 위한 것으로서, 적절한 산화구리 입자 중량부와 환원유도제 중량부로 혼합하여 소결 특성과 접합 특성을 개선시키도록 한 것이다.
즉, 산화구리 입자가 너무 많으면 장입한 산화구리의 많은 양이 환원되지 않은 결과가 발생하고, 환원유도제가 너무 많으면 원하는 페이스트의 점도를 구현할 수 없거나 소결 특성이 저하되며, 산화구리 입자가 너무 적으면 소결 특성이 저하되고, 환원유도제가 너무 적으면 페이스트를 제조할 수 없거나 내산화 특성의 저하 및 환원이 제대로 이루어지지 않는다.
본 발명에서의 환원유도제(400)는, 분자량이 150 이상인 2가 알콜(dihydric alcoho), 3가 알콜(trihydric alcoho) 및 다가 알콜(polyhydric alcohol)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물 또는 상기 혼합물을 포함하는 재료인 것이 바람직하다. 소결접합 공정 과정에서 사용된 환원유도제는 모두 제거된다.
여기에서 상기 분자량이 150 이상인 2가 알콜은 디올(diol), 글리콜(grycol) 등, 상기 3가 알콜은 트리올(triol), 글리세롤(grycerol) 등, 상기 다가 알콜은 소르비톨(sorbitol) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 분자량이 150 이상인 2가 알콜에서 폴리에틸렌글리콜(polyethylene grycol, PEG)를 제외할 수 있다.
특히, 상기 환원유도제(400)는 용도에 따라 상기 환원유도제(400)로 이루어진 용제 또는 상기 환원유도제(400)를 포함하는 바인더로 제공될 수 있으며, 용제 사용 시 일반적으로 페이스트가 제조되며, 소결 공정 후에는 사용된 용제가 모두 증발하여 제거되고, 바인더 사용 시 일반적으로 그린시트가 제조되며, 소결 공정 과정에서 사용된 바인더는 모두 증발 및 연소하거나 분해되어 제거된다.
아울러 본 발명에 따른 페이스트의 칙소성(thixotropic property)을 향상시켜 인쇄 또는 토출 특성 등을 개선하기 위해 칙소제(thixotropic agent)가 추가적으로 첨가될 수 있다.
상기 환원유도제(400)는 소결접합 공정을 위한 가열과정에서 제거되는 것으로서, 상기 제1구리 입자(100)의 표면에 코팅되어 목표 온도까지의 가열동안(소결접합을 위한 가열과정)에서 상기 제1구리 입자(100)의 과도한 산화를 막는 한편, 특정 온도에서 상기 제1구리 입자(100) 표면의 산화막을 환원 제거하게 된다.
또한, 이와 동시에 상기 환원유도제(400)는 특정 온도에서 상기 산화구리 입자(200)를 환원시켜 나노급 제2구리 입자(300)를 생성시켜 상기 제1구리 입자(100) 간 공극부에 개재시키게 된다. 이때 나노급 상기 제2구리 입자(300)가 생성되면서 상기 제1구리 입자(100)와 상기 제2구리 입자(300) 간은 인시츄(in situ)로 소결되는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 환원유도제(400)는 상기 제1구리 입자(100)의 산화를 억제하고, 특정 온도에서 산화구리 입자(200)를 환원시켜 나노급 제2구리 입자(300)를 생성하여, 소결이 완료된 후에는 전체적으로 구리기반 소재로 이루어진 접합부 본드라인(bondline)을 형성하게 된다.
아울러 환원된 나노급 제2구리 입자(300)는 접합시키고자 하는 소자 후면 금속층인 Cu 피니쉬(finish) 및 기판 상면 금속층인 Cu 피니쉬와 급속 소결하여 계면이 접합되면서 완전한 소결 접합부를 형성하게 된다.
기존 Ag 입자 페이스트를 적용하는 상황에서는 보통 접합시키고자 하는 소자 후면 메탈(metal) 피니쉬 및 기판 상면 메탈 피니쉬를 Ag 또는 Au로 사용하기 때문에 소자 및 기판의 준비 과정에서 추가적인 비용이 소요되게 되나, 본 Cu계 소결접합 페이스트 사용 시에는 저가의 Cu 피니쉬를 바로 사용할 수 있으므로 추가적인 원가 절감을 도모할 수 있다.
즉, 소자 후면 메탈 피니쉬 및 기판 상면 메탈 피니쉬를 Cu로 사용할 경우 대기 중 노출 및 소결접합을 위한 가열과정에서 Cu 피니쉬의 표면이 산화되어 소결접합을 방해하게 되나, 본 Cu계 소결접합 페이스트 사용 시에는 페이스트 내에 함유된 환원유도제(400)가 가열과정에서 상, 하부 Cu 피니쉬 표면의 산화막을 환원시키게 되므로 상, 하부 계면에서의 소결접합이 안정적으로 완료될 수 있다.
소자 후면 메탈 피니쉬 및 기판 상면 메탈 피니쉬를 Ni로 사용할 경우에서도 동일한 원리로 안정적인 소결접합을 구현할 수 있다.
이와 같이 상기 제1구리 입자(100) 사이의 공극부에 개재된 나노급(1~10nm) 제2구리 입자(300)는 소결성이 매우 우수하여 외부 가압하에서 마이크론급 제1구리 입자(100)들 간을 소결시키고, 마이크론급 제1구리 입자(100)들과 기판 및 소자의 구리 피니쉬(finish) 간을 소결시키며, 우수한 접합강도를 갖는 접합부를 형성하게 된다.
이상과 같이 제안된 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트는 구리나 니켈 피니쉬(finish)에 가장 적합한 소결접합 거동을 나타내게 되나, 표면 산화가 일어나지 않거나 미미한 기존 Au 및 Ag 피니쉬에도 마찬가지로 우수한 소결접합 특성을 나타낼 수 있다.
도 1은 이러한 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트의 소결 과정을 나타낸 모식도로서, 도 1(a)는 적정량의 제1구리 입자(100)와 산화구리 입자(200)가 환원유도제(400)에 분산된 소결접합 페이스트를 나타내고 있다.
도 1(b)는 이러한 소결접합 페이스트를 특정 온도(240~350℃)에서 소결 공정을 수행한 것으로, 상기 산화구리 입자(200)가 환원되어 나노급 제2구리 입자(300)가 제1구리 입자(100)의 공극부 사이에 개재된 것을 나타낸 것이다. 이때 제2구리 입자(300)는 나노급의 크기로 급속한 소결특성을 보이므로, 제2구리 입자(300)의 생성과 거의 동시에 인시츄(in situ)로 소결이 시작된다.
이러한 소결 공정이 완료되게 되면 접합부는 제1구리 입자(100)와 제2구리 입자(300)로만 이루어진 본드라인을 형성하게 된다. 그러나 상기 산화구리 입자(200)의 양에 비해 상기 환원유도제(400)의 양이 적은 경우에는 산화구리 입자(200)의 코어(core)부는 환원되지 않아 여전히 산화구리로 잔존하게 되나, 첨가된 모든 산화구리 입자(200)의 표면이 제2구리 입자(300)로 전이된다면 소결접합은 안정적으로 진행된다.
도 1(c)는 이러한 소결접합 공정을 수행하면서 가압력을 제공하여 공극부를 최소화시킴으로써 접합 강도가 개선되도록 한 것이다. 이후 필요에 따라 후열처리 공정을 수행함으로써, 구리 입자들을 산화시켜 잔존 공극부를 산화구리로 점차 채움으로써 더욱 치밀한 본드라인을 구현하고 접합강도를 추가적으로 향상시킬 수도 있는데, 이에 대해서는 이후 보다 자세히 설명될 것이다.
또한, 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트는 접합 공정 후 추가 열처리를 통해 상기 제1구리 입자 및 제2구리 입자를 일부 산화시켜 본드라인 내 존재하는 공극부 양을 최소화시킬 수 있다. 즉, 상기 추가 열처리는 공극부가 존재하는 접합부의 밀도 또는 강도값을 개선시키기 위한 것으로, 대기 중 열처리 과정에서 구리 입자 표면부에서 이루어지는 구리의 산화반응은 입자의 체적을 증가시키며 접합부의 공극부를 채우게 되므로 궁극적으로 공극부가 완전히 제거된 접합부를 제공할 수 있고, 이 과정에서 접합 강도를 보통 더욱 개선시키게 된다. 이러한 추가 열처리는 접합 공정 후 선택 사항으로 5~60분간 이루어질 수 있으며, 열처리 온도는 300℃ 부근이 적절하다.
도 3은 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트의 TG-DTA(thermogravimetry/differential thermal analysis) 그래프를 도시(승온속도: 10oC/min, 가압이 적용되지 않음)한 것으로서, 도시한 바와 같이, 이러한 환원유도제(환원유도 용제)를 사용한 경우 200~270℃에서 산화구리 입자들을 환원시키면서 흡열반응을 야기시키므로, 200℃ 직후 관찰되는 발열 피크(peak)를 크게 감소시키는 결과와 함께 소결성이 매우 우수한 나노급 구리 입자들을 생성시킨다. 생성된 나노급 구리 입자들은 이후 대기 중에서 산화되며 큰 발열 피크를 형성하기는 하지만, 가압 공정 하에서는 마이크론급 제1구리 입자들 간 공극부에 개재되어 이미 급속 소결을 야기시키므로 결론적으로 접합강도가 우수한 접합부를 생성하게 된다.
도 3에서 관찰되는 빠른 환원반응과 연관되어 본 발명에 따른 소결접합 페이스트를 이용한 접합 공정은 충분한 접합 강도값을 얻는데 단 3분 정도밖에 소요되지 않으므로 기존 Ag 소결접합 페이스트 사용 시 20분 이상 걸리는 접합 시간을 획기적으로 줄이는 효과가 있다. 접합시간에 대한 구체적인 실시예는 이후에 보다 자세히 설명될 것이다.
또한, 이렇게 생성된 접합부는 1085℃의 융점을 가지는 Cu 위주로 이루어지므로 기존 고온 솔더 대비 월등한 내열 신뢰성과 우수한 방열특성을 나타내게 되며, 기존 Ag 입자계 소결접합 페이스트가 가지는 고가격 문제를 현저히 줄이면서, 상술한 바와 같이 기존 Ag 입자계 소결접합 페이스트가 가지는 긴 접합시간은 3분 수준까지 단축시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트의 입자 간 소결접합 이미지를 나타낸 것으로서, 마이크론급 제1구리 입자들 사이에 산화구리(산화제2구리, copper(II) oxide 또는 cuprous oxide) 입자가 환원되어 생성된 나노급 제2구리 입자들이 개재된 것을 확인할 수 있다.
이로써 저가의 마이크론급 구리 입자들 사이에 환원공정을 통해 나노급 구리 입자를 용이하게 개재하여 공극부를 메꾸면서, 나노급 구리 입자의 급속 소결 특성에 의해 급속한 소결 접합부의 생성이 가능하도록 한 것이다.
즉, 특정 온도에서 나노급 구리 입자의 생성과 거의 동시에 접합부의 소결이 진행되는 인시츄 소결을 구현하여 공정시간을 획기적으로 줄일 수 있게 되며, 이러한 과정에서 접합부를 이루는 본드라인은 구리 입자들(제1구리 입자와 제2구리 입자) 위주로 이루어져 Ag 페이스트 사용에 따른 비싼 가격문제를 해결하고, 내열 신뢰성 및 우수한 방열특성을 보장하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 접합 방법은 도 2에 도시한 바와 같이, 평균 입자 크기가 0.5~45㎛인 제1구리 입자 70~97중량부와, 평균 입자 크기가 50~450nm인 산화구리 입자 3~30중량부를 혼합하여 제조된 혼합 입자를 준비하는 제1단계와, 상기 혼합 입자 100중량부에 대해 10~30중량부의 환원유도제를 혼합하여 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 제조하는 제2단계와, 상기 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 접합시키고자 하는 기판 표면 금속층 상에 공급하는 제3단계와, 상기 공급된 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트 상부에 접합시키고자 하는 소자의 후표면 금속층(메탈 피니쉬)이 닿게 하면서 소자를 정렬하여 놓는 제4단계와, 상기 기판, 상기 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트 그리고 상기 소자부로 이루어진 적층체를 가압하면서 특정 온도로 가열하여, 상기 환원유도제에 의해 상기 산화구리 입자를 환원시켜 나노급 제2구리 입자를 생성하여 상기 제1구리 입자 간 공극부에 개재시켜 상기 제1구리 입자와 상기 제2구리 입자 간의 인시츄(in-situ) 소결을 유도하며 본드라인을 형성함으로써 소자-기판간을 접합시키는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 접합하고자 하는 기판 상의 금속층(메탈 피니쉬)에 대응하여 적정량 및 적정 모양으로 인쇄 또는 도포(도 2(a))하거나 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 그린시트를 소자의 크기로 잘라 프리폼(preform) 형태로 준비하여 접합하고자 하는 기판 상의 금속층(메탈 피니쉬)에 대응하여 어태치(attach)(도 2(a))한 후 그 위로 접합하고자 하는 소자부의 금속층(메탈 피니쉬)를 정렬(도 2(b))하여 놓는다.
그리고, 상기 기판, 상기 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트 그리고 상기 소자부로 이루어진 적층체를 가압하면서 특정 온도로 가열하는 공정을 진행한다(도 2(c)). 여기에서 가압력은 1~20MPa 범위(바람직하게는 1~10MPa), 최종 가열온도는 240~350℃가 적당하다.
이후 상기 환원유도제에 의해 상기 산화구리 입자를 환원시켜 나노급 제2구리 입자를 생성하여 상기 제1구리 입자 간 공극부에 개재시켜 상기 제1구리 입자와 상기 제2구리 입자 간의 인시츄(in-situ) 소결을 유도하며 본드라인을 형성함으로써 소자-기판간을 접합시키게 된다(도 2(d)).
본 발명의 일실시예로 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트가 약 240℃ 이상으로 가열되면 첨가된 환원유도 용제에 의해 산화구리로부터 구리로의 환원반응이 이루어지게 되는데, 이 생성되는 초기 구리의 크기는 수 나노급으로 매우 격렬한 소결 특성을 나타내게 된다.
이에 따라 마이크론급 제1구리 입자들 간 및 마이크론급 제1구리 입자들과 소자와 기판 표면의 금속층 간 접합이 급속도로 진행되게 된다.
이러한 급속도의 접합 공정은 롤투롤(roll-to-roll)과 같은 연속 공정, 즉, 컨베이어 라인을 사용한 연속 공정 상에서 이루어질 수 있다. 즉, 칩당 3분의 접합 시간동안 컨베이어 라인을 멈춘 상태에서 접합을 진행하고, 이후 컨베이어 라인의 이동을 실시하여 반 연속적인 소결접합 자동화 라인을 운영할 수 있게 된다. 이러한 공정의 운영은 산업 현장에서 매우 경쟁력을 가지는 생산 공정으로 평가된다.
이 후 이 샌드위치 접합체를 바로 대기중에서 냉각해도 접합부의 형성을 확인할 수 있으나, 공극부가 거의 없는 보다 우수한 미세구조의 접합부를 확보하기 위해서 컨베이어 라인 상에서 5~60분간의 열처리를 추가적으로 가해줄 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트는 특정 온도에서의 가열을 통해 나노급 구리 입자를 생성하여 급속 소결 특성을 부여함으로써 접합 공정 시간을 획기적으로 줄일 수 있다. 즉, 가격경쟁력을 가지는 저가의 소재를 사용하여 짧은 접합 공정 시간에서 우수한 접합부의 강도를 구현하여, 궁극적으로 최고의 생산경쟁력을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존에 보고된 바 없는 방법으로 접합 공정(실장 공정)을 구현하여 융점이 매우 높은 구리 만으로 본드라인을 형성하므로 최고 수준의 열전도도 특성을 보이며, 내열성이 확보된 매우 신뢰성이 높은 접합부를 제공하게 된다.
또한, 본 발명은 접합을 위한 공정 시간이 3분 수준으로 매우 짧아 컨베이어 라인을 사용한 연속 공정에 의해 구현될 수 있어, 궁극의 생산성을 가지는 소결접합의 자동 양산화가 가능하게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크론급 제1구리 입자 80중량부와 산화구리(산화제2구리, copper(II) oxide 또는 cuprous oxide) 입자 20중량부 혼합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 소결접합한 접합부의 단면 이미지이다. 마이크론급 제1구리 입자는 flake 형태였고, 그 평균 크기는 7㎛였다. 산화구리 입자는 불규칙한 다면체 형태였고, 그 평균 크기는 150nm였다. 접합부는 300℃에서 형성되었다. 1분에서 3분으로 소결접합 시간이 증가함에 따라 접합부의 미세조직이 매우 치밀해지고 접합 계면의 소결접합 조직이 크게 안정해지는 결과를 관찰할 수 있었다. 소결접합 시간을 5분으로 증가시킬 경우 접합부의 치밀도와 접합 계면의 조직 안정도는 추가적으로 개선되었다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크론급 제1구리 입자 94중량부와 산화구리(산화제2구리, copper(II) oxide 또는 cuprous oxide) 입자 6중량부 혼합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 소결접합한 접합부의 단면 이미지이다. 접합부는 역시 300℃에서 형성되었는데, 앞서 경향과 마찬가지로 1분에서 3분으로 소결접합 시간이 증가함에 따라 접합부의 미세조직이 확연히 치밀해지고 접합 계면의 소결접합 조직이 안정해지는 결과를 관찰할 수 있었다. 반면에 이 페이스트에서는 크기가 작은 산화구리 입자의 첨가량이 적어 상대적으로 공극부가 많은 접합부 미세보직이 관찰되었다. 그러나 이 페이스트도 소결접합 시간을 5분으로 증가시킬 경우 접합부의 치밀도가 크게 개선되어 공극부가 거의 사라지는 미세조직을 얻을 수 있었다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크론급 제1구리 입자 97중량부와 산화구리(산화제2구리, copper(II) oxide 또는 cuprous oxide) 입자 3중량부 혼합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 소결접합한 접합부의 단면 이미지이다. 접합부는 역시 300℃에서 형성되었는데, 마찬가지로 1분에서 3분으로 소결접합 시간이 증가함에 따라 접합부의 미세조직이 확연히 치밀해지고 접합 계면의 소결접합 조직이 안정해지는 결과를 관찰할 수 있었다. 소결접합 시간을 5분으로 증가시킬 경우 접합부의 치밀도가 더욱 개선되는 결과가 관찰되었으나, 크기가 작은 산화구리 입자의 첨가량이 매우 적은 관계로 공극부가 눈에 띄는 수준으로 잔존함을 관찰할 수 있었다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 및 산화구리(산화제2구리, copper(II) oxide 또는 cuprous oxide) 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 대기 중 300℃ 소결접합 시 접합부의 본딩 특성(전단강도) 및 다음 종래 기술에 따른 소결접합 페이스트를 이용한 접합부의 본딩 특성을 비교한 도이다.
- Ref. 1: T. Yao 등, Journal of Electronic Materials, 47(4), p.2193 (2018)
- Ref. 2: S. W. Park 등, Proceedings of IEEE 64th Electronic Components and Technology Conference(ECTC), p.1179 (2014)
즉, 대기 중 접합온도가 300℃, 가압력이 10MPa의 경우, 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 접합부의 접합 강도 및 종래 기술에 따른 소결접합 페이스트를 이용한 접합부의 접합 강도를 나타낸 것으로서, 제안된 혼합 소결접합 페이스트에서의 제1구리 입자와 산화구리 입자의 중량부 비는 각각 70:30, 80:20, 90:10, 94:6, 97:3였으며, 환원유도제(환원유도 용제)가 사용되었다.
본 발명의 실시예는 5분의 소결접합 시간이 적용될 경우 최소 10MPa 이상, 최대 25MPa의 접합 강도가 측정되어 기존 유사실험 결과 보고(종래기술 1)에 비해 월등히 짧은 소결접합 시간하에서도 월등히 높은 접합 강도를 나타내었다. 종래기술 1은 100~200nm 크기의 CuO에 PEG(polyethylene grycol) 용매를 사용한 페이스트에 관한 것으로서, 10MPa의 가압력 하에서 300℃에서 15분간 소결접합한 경우에 접합 강도는 5.8MPa로 측정되어 본 발명의 실시예에 비해 매우 낮음을 확인할 수 있었다. 또한 PEG와 비교 평가하기 위하여 DEG(diethylene glycol), TEG(triethylene glycol) 및 DN(1-decanol)을 용매로 사용한 페이스트 적용 시 소셜접합부의 전단 강도는 PEG 적용 시에 비해서도 월등히 낮게 측정(강도값이 낮아 그래프 상에 표시하지 않음)되어 소결접합 페이스트용 용매로 적합하지 않을을 알 수 있었다.
종래 기술 2는 표면이 산화된 수 마이크론 크기의 구리 플레이크(flake)를 PEG 용매를 사용하여 페이스트로 만든 경우로, 0.05MPa로 가압소결할 경우 300℃에서 60분 간 소결접합 시 10MPa, 0.4MPa을 가압소결할 경우 300℃에서 60분 간 소결접합 시 16MPa의 접합 강도가 관찰되었다. 결과적으로 너무나 긴 무려 60분 간의 소결접합을 실시했지만 본 발명의 일실시예(80:20 및 94:6)의 3분 결과에도 크게 미치지 못함을 확인할 수 있었다. 즉, 제1구리 입자와 산화구리 입자의 중량부가 80:20인 경우와 94:6 경우에서는 단지 3분 소결접합한 경우에서도 20MPa을 상회하는 접합 강도가 측정되어 앞서 언급한 컨베이어 벨트를 사용하는 준연속 공정의 가능성을 보여주었다. 물론 소결접합 시간이나 가압력을 더 높이면 접합 강도가 더욱 높게 측정된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 구리 및 산화구리의 80:20 혼합 소결접합 페이스트를 사용하여 대기 중 300℃에서 5분간 접합한 접합부의 단면 이미지(a)와 이에 대한 추가 열처리를 통한 접합부의 단면 이미지(b),(c),(d)를 나타낸 것이다.
도 9(a)는 마이크론급 제1구리 입자 80중량부와 산화구리(산화제2구리, copper(II) oxide 또는 cuprous oxide) 입자 20중량부를 혼합하고, 이 혼합 입자 100중량부에 대해 환원유도제(환원유도 용제) 20중량부를 혼합한 소결접합 페이스트를 5분 동안 300℃의 소결접합을 수행한 경우 접합부의 단면 이미지이다. 도시한 바와 같이, 일부 공극부가 관찰되기는 하나, 제1구리 입자와 제2구리 입자들이 서로 연결된 본드라인을 형성한 후 일부 산화된 접합부가 구현됨을 확인할 수 있었다.
도 9(b),(c),(d)는 도 95(a)의 실시예에서 추가로 20분, 40분, 60분의 대기 중 열처리를 수행한 것이다. 열처리를 진행하는 동안 압력은 가하지 않았다(pressureless). 이 경우 구리 입자들이 추가로 산화되면서 공극부를 메꾸게 되어 공극부가 감소한 보다 우수한 접합부의 미세구조를 형성함을 확인할 수 있었다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 접합부의 단면 이미지와 전단강도 변화를 나타낸 것으로, 도 10은 제1구리 입자와 산화구리(산화제2구리, copper(II) oxide 또는 cuprous oxide) 입자가 80:20 중량비로 혼합된 경우에서 3분간, 도 11은 제1구리 입자와 산화구리 입자가 90:10의 중량비로 혼합된 경우에서 5분간 300℃ 대기 중 소결접합을 진행하고, 추가 열처리 공정으로 20분, 40분, 60분 동안 진행한 경우, 접합강도 및 단면 이미지를 나타낸 것이다.
도시한 바와 같이 양호한 접합강도가 측정되었으나, 접합 직후 접합부에서는 공극부가 확연히 존재함을 관찰할 수 있었다. 그러나 앞서 언급한 추가 열처리 효과와 마찬가지로 대기 중 추가 열처리를 진행함에 따라 접합부의 미세구조에서 공극부의 분율은 점차 감소하는 결과를 관찰할 수 있었다.
이에 따라, 도 10에 도시한 바와 같이, 제1구리 입자와 산화구리 입자의 중량비가 80:20인 경우에는 추가 열처리 공정을 수행할 경우 접합강도가 안정적으로 유지되거나 다소 향상되었으며, 도 11에 도시한 바와 같이, 제1구리 입자와 산화구리 입자의 중량비가 90:10인 경우에는 추가 열처리 공정을 수행할 경우 접합강도가 눈에 띄게 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.
100 : 제1구리 입자 200 : 산화구리 입자
300 : 제2구리 입자 400 : 환원유도제

Claims (10)

  1. 평균 입자 크기가 0.5~45㎛인 제1구리 입자, 평균 입자 크기가 50~450nm인 산화구리 입자를 혼합하여 준비된 혼합 입자와,
    상기 혼합 입자 100중량부에 대해 10~30중량부의 환원유도제가 혼합된 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 입자는 상기 제1구리 입자 70~97중량부, 상기 산화구리 입자 3~30중량부인 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 환원유도제는,
    분자량이 150 이상인 2가 알콜(dihydric alcoho), 3가 알콜(trihydric alcoho) 및 다가 알콜(polyhydric alcohol)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 환원유도제는,
    특정 온도에서 상기 산화구리 입자를 환원시켜 나노급 제2구리 입자를 생성시켜 상기 제1구리 입자 간 공극부에 개재시키는 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 환원유도제는,
    상기 제1구리 입자의 표면에 코팅되어 목표 온도까지의 가열동안 상기 제1구리 입자의 산화를 막고, 상기 제1구리 입자의 표면 산화막을 환원시키는 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 나노급 제2구리 입자의 생성으로 접합부가 인시츄(in-situ)로 소결되어 이루어지며,
    상기 접합부는 상기 제1구리 입자와, 상기 제2구리 입자로 이루어진 본드라인으로 구현되는 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트는,
    접합 공정 후 추가 열처리를 통해 상기 제1구리 입자 및 제2구리 입자를 산화시켜 공극부를 최소화시키는 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트.
  8. 평균 입자 크기가 0.5~45㎛인 제1구리 입자 70~97중량부와, 평균 입자 크기가 50~450nm인 산화구리 입자 3~30중량부를 혼합하여 제조된 혼합 입자를 준비하는 제1단계;
    상기 혼합 입자 100중량부에 대해 10~30중량부의 환원유도제를 혼합하여 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 제조하는 제2단계;
    상기 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 접합시키고자 하는 기판 표면 금속층 상에 공급하는 제3단계;
    상기 공급된 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트 상부에 접합시키고자 하는 소자부의 후표면 금속층이 닿게 하면서 소자를 정렬하여 놓는 제4단계;
    상기 기판, 상기 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트 그리고 상기 소자부로 이루어진 적층체를 가압하면서 특정 온도로 가열하여, 상기 환원유도제에 의해 상기 산화구리 입자를 환원시켜 나노급 제2구리 입자를 생성하여 상기 제1구리 입자 간 공극부에 개재시켜 상기 제1구리 입자와, 상기 제2구리 입자 간의 인시츄(in-situ) 소결을 유도하며 본드라인을 형성함으로써 소자-기판 간을 접합시키는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 접합 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제5단계 이후에,
    추가 열처리 공정을 더 수행하여 상기 제1구리 입자 및 제2구리 입자를 산화시켜 공극부를 최소화시키는 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 접합 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 접합 방법은,
    컨베이어 라인을 사용한 연속 공정에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 구리 및 산화구리 혼합 소결접합 페이스트를 이용한 접합 방법.
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